Гипотеза стерильных нейтрино

[БаронV]

11 января 2023 в журнале Nature появилось сообщение, что  международная коллаборация физиков-ядерщиков обнародовала результаты трехлетнего эксперимента на французском ядерном реакторе в Гренобле, которые опровергли гипотезу двенадцатилетней давности о возможном открытии так называемых стерильных нейтрино.  (с)

 Функции  «стерильных» нейтрино  - способность смешиваться с активными нейтрино. Требовались они для решения противоречий ввиду наличия  массы у "осциллирующих" нейтрино.
Как эти данные  повлияют на сложную ситуацию с солнечными нейтрино ?

[garryon]

опровергли гипотезу двенадцатилетней давности о возможном открытии так называемых стерильных нейтрино.  (с)

Работа такая. Опровергать себя. В Солнце нырнуть сложновато .

[dr_magneto]

а в чем сложная ситуация с солнечными нейтрино? там всё известно, вроде бы. или есть неясности?

[Змей Петров]

У кого - как

[garryon]

опровергли гипотезу двенадцатилетней давности о возможном открытии так называемых стерильных нейтрино. 

Если посчитают, что действительно опровергли надо будет рассматривать другие модели.

[БаронV]

а в чем сложная ситуация с солнечными нейтрино? там всё известно, вроде бы. или есть неясности?

Согласно базовой гипотезе, в центре Солнца выделяется энергия за счет ядерной реакции. Основной процесс называется "протон-протонный цикл", когда из четырех протонов собирается атом гелия. На первом шаге  этой реакции должны рождаться два нейтрино.

 

Нейтрино настолько малы, что беспрепятственно проходят сквозь толщу Солнца  и Земли.  ( Протон в сравнении с нейтрино,  как Земля  и куриное яйцо.  )
   Расчетный поток от Солнца должен  был составлять 100 миллиардов частиц на квадратный сантиметр в секунду.  Сделали детекторы. Измеряли долго и тщательно. Оказалось, что поток нейтрино от Солнца почти в три раза ниже ожидаемого.
В связи с отсутствием  альтернативных гипотез механизма нагрева,  решили копать в прежнем  направлении. Возникла  версия о том, что в процессе полета нейтрино меняются. Разложили поток на разные типы: электронное  , мюонное  и тау нейтрино. Соответственно у нейтрино возникала масса, которая ещё и менялась в полете.
Решили  провести новые эксперименты. Спроектировали новые детекторы.  Долго ничего не получалось. Наконец в 1999  первые успехи у  Камиоканде.
 Электронные нейтрино, которые могут рождаться в Солнце были обнаружены.  За эти работы Артур Макдональд (SNO) и Кадзита-сан (Камиоканде) получили Нобелевскую премию 2015 года.
НО!
Нобелевская была выдана с формулировкой «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих наличие у них массы».
Однако  в Стандартной модели масса нейтрино равна нулю ( масса  запрещена симметриями Стандартной модели). Потребовалось  как-то модифицировать Стандартную модель,  добавив  в нее новые частицы.  Такие частицы назвали  "стерильные нейтрино".  Они также нейтральны, но способны как-то  смешиваться  с активными.   
Искали их  долго.  Финал обсуждаем в этой ветке.

[Змей Петров]

Всё это несколько напоминает затыкание дыр тем , что под руку попадёт .

[БаронV]

Всё это несколько напоминает затыкание дыр тем , что под руку попадёт .

Дыры в области лидирующей части науки вполне объяснимы. Если Вам любопытен текущий драматизм поиска стерильных нейтрино, есть публикация по теме --->

(кликните для показа/скрытия)

...Симметрии Стандартной модели допускают существование частиц, которые являются точными копиями своих античастиц. В микромире они пока не обнаружены (хотя их аналоги выявлены в физике твердого тела), но теория их не запрещает. Уравнение для таких частиц еще в 1937 году появилось в полном смысле слова провидческой статье Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone («Симметричная теория электронов и позитронов»), которую опубликовал в журнале Il Nuovo Cimento чрезвычайно одаренный молодой итальянский физик с очень трагической судьбой Этторе Майорана — поэтому их называют майорановскими. В силу тех же симметрий майораном может быть только электрически нейтральная частица с половинным спином. В «зоопарке» Стандартной модели этому критерию отвечают только нейтрино. Так что можно предположить, что в дополнение к уже известным трем разновидностям нейтрино (их называют дираковскими) природа создала и четвертое семейство. Эта идея была впервые высказана в 1996 году и до сих пор остается гипотезой.

А дальше начинается самое интересное. Все нейтрино несколько десятилетий считали безмассовыми. Сейчас известно, что массы у них все же есть, хотя они точно не известны и почти наверняка не превышают малых долей электронвольта. Однако же, если, помимо дираковских нейтрино, существуют и майорановские, они могут иметь куда большие массы, измеряемые несколькими электронвольтами либо даже десятками или сотнями эВ. Еще важнее, что, в силу все тех же фундаментальных симметрий, такие нейтрино при нормальных условиях практически не принимают участия в слабых взаимодействиях Стандартной модели, которые «чувствуют» дираковские нейтрино, и потому не замечают прочих элементарных частиц Стандартной модели. Именно поэтому их и называют стерильными.

Физикам известны пути к детектированию майорановских нейтрино, но до сих пор такие эксперименты неизменно давали нулевые результаты. Например, ядро ксенона с атомным весом 136 хотя и имеет очень большое время жизни (свыше 1021 лет), но все же превращается в ядро бария-136, пару электронов и пару электронных антинейтрино. Будь среди нейтрино майорановские частицы, был бы возможен тот же самый распад ксенона в барий, но уже только с одними электронами. Эта реакция, как и другие подобные превращения (так называемый двойной безнейтринный бета-распад) до сих пор не обнаружена, несмотря на все усилия экспериментаторов.

Но есть и другой способ. Если бы нейтрино были абсолютно безмассовыми частицами наподобие фотонов, то свободно летящие нейтрино разных ароматов не могли бы превращаться друг в друга. Однако сколько-нибудь массивные нейтрино на такие превращения способны, и они уже давно зарегистрированы. В частности, подобные процессы, так называемые нейтринные осцилляции, наблюдаются при мониторинге потоков электронных антинейтрино, которые в изобилии испускают работающие ядерные реакторы. Если допустить существование майорановских частиц, то можно предположить, что они тоже будут участвовать в этих осцилляциях, хотя и реже своих дираковских собратьев. В частности, какая-то часть электронных нейтрино по выходе из реактора перейдет в нейтрино майорановского типа. Физически такая гипотеза вполне осмысленна. Этот эффект должен проявляться в каком-то (возможно, очень незначительном) дефиците плотности выходящих из активной зогны реактора «обычных» нейтрино по сравнения с ожидаемым уровнем. Если бы такой дефицит и вправду был замечен, то его нельзя было интерпретировать иначе как аномалию.

Подобная аномалия как раз и была обнаружена в 2011 году. Оказалось, что потоки антинейтрино, измеренные в разное время на выходе из нескольких реакторов, включая и российскую установку в Красноярске, в среднем на 5,7% ниже расчетных значений (см. G. Mention et al., 2011. The reactor antineutrino anomaly). Именно в этой статье появился быстро вошедший в употребление термин «reactor antineutrino anomaly». Разумеется, она не могла не привлечь внимания специалистов. Вскоре для ее проверки были поставлены контрольные эксперименты, которые не дали однозначных результатов. Так что вопрос на время остался открытым.

И вот теперь он закрыт — по крайней мере, в главной части. Коллаборация STEREO (это сокращение расшифровывается как Search for Sterile Reactor Neutrino Oscillations) опубликовала результаты своего эксперимента, который проводился в Гренобле на исследовательском ядерном реакторе Института Лауэ-Ланжевена с тепловой мощностью в 58 мегаватт. Ученые установили на дистанциях от 9 до 11 метров от активной зоны реактора, загруженного ураном-235, шесть независимо работающих сцинтилляционных детекторов, которые действовали с октября 2017 года по ноябрь 2020-го. В целом эти счетчики зарегистрировали 107 558 электронных антинейтрино, которые участвовали в реакциях обратного бета-распада, где эти частицы взаимодействовали с протонами, давая начало нейтронам и позитронам.


Рис. 2. Схема эксперимента по поиску стерильных нейтрино. Шесть ячеек со сцинтилляционными детекторами были установлены на расстоянии 9–11 метров от реактора (58-MW compact core). На врезке показаны теоретические предсказания для энергетических спектров частиц, зарегистрированных первой и шестой ячейками.

И каков же итог? Обнаруженный в 2011 году дефицит электронных антинейтрино наблюдался по-прежнему, причем практически на неизменном уровне — 5,5% (аналогичные результаты были обнародованы еще в конце 2019 года, но тогда они базировались на регистрации 65 500 антинейтрино). Однако энергетический спектр детектированных частиц оставался тем же самым на разных расстояниях детекторов от реактора. Это было бы невозможно, если бы дираковские электронные антинейтрино осциллировали в майорановские частицы, поскольку в таком случае разные детекторы выдавали бы сигналы неодинаковой формы (см. очень наглядную иллюстрацию в заметке заместителя директора Института физики высоких энергий Академии наук КНР Джуна Као (Jun Cao), опубликованной в том же выпуске Nature).

Что же мы имеем в сухом остатке? Аномалия с дефицитом плотности вышедших из реактора электронных антинейтрино сохранилась, но ее уже нельзя объяснить превращением обычных частиц в стерильные. Возможно, дело в каких-то неучтенных особенностях работы реакторов — но это только предположение.

[Змей Петров]

Если Вам любопытен текущий драматизм поиска стерильных нейтрино, есть публикация по теме

Спасибо , занимательно .
Это всё больше напоминает затычку от всех дырок .

[Скеп-тик]

Учёные забывают об одной особенности нейтрино/антинейтрино: они имеют ЛЕПТОННЫЙ заряд. То есть, для материи они не нейтральны.

[dr_magneto]

pp-нейтрино низких энергий исследованы в 2014 г. в Италии (Borexino),
более редкие и энергичные pep-нейтрино открыты там же 2 годами ранее,
hep-нейтрино самые редкие и энергичные,
кроме того, бериллий-7, в основном, вступает в реакцию с электроном, порождая нейтрино и литий-7,
и, напоследок, образуются энергичные борные нейтрино, когда бор-8 превращается в бериллий-8 с испусканием нейтрино и позитрона.

[Гар'икИ]

Чем сердце успокоилось?

[БаронV]

Это всё больше напоминает затычку от всех дырок .

Детекторы солнечных нейтрино могут ловить  не искомое, а некий неучтенный фон  идущий от земных пород , расположенных под шахтами лабораторий ?

[leon10010]

Нейтрино настолько малы, что беспрепятственно проходят сквозь толщу Солнца  и Земли.

 
 Странная фраза.
 Это прям цитата из научной статьи? Известны размеры? А размеры чего? Известны размеры всего нейтрино? Или середки его?

[vomitron]

Это аналогия для понятия "эффективное сечение".

[Змей Петров]

Это всё больше напоминает затычку от всех дырок .

Детекторы солнечных нейтрино могут ловить  не искомое, а некий неучтенный фон  идущий от земных пород , расположенных под шахтами лабораторий ?

Да как вам сказать .
Они могут ловить всё что угодно . Включая осцилированные нейтрино , стерильные нейтрино ... (последнее уже - в комнату астросмеха))

[Змей Петров]

Это аналогия для понятия "эффективное сечение".

Не думаю , что в данном случае эта аналогия уместна .

[БаронV]

В классическом понимании нейтрино является элементарной частицей.  Как и все другие фундаментальные частицы стандартной модели, нейтрино являются точечными (нет ширины,  высоты, объема ). Нейтрино не   конденсируются в отдельное однородное вещество, занимающее некий конечный объем.
В какой-то мере можно вести речь о комптоновской длине волны ( применяется  для оценки поперечных сечений) .
Физики полагают  эту длину около 200 нм.
Но тут речь о  наличии массы у нейтрино. Для подтверждения теперь требуется найти "стерильные" нейтрино.

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2015 года стало двое ученых: Такааки Кадзита (Takaaki Kajita) из Японии и Артур МакДональд (Arthur MacDonald) из Канады. Нобелевский комитет объявил лауреатов премии 6 октября. В его заявлении говорится, что премия присуждена за «открытие осцилляции нейтрино, которое показало, что у этой частицы есть масса».

Эксперименты ученых продемонстрировали, что нейтрино может превращаться из одного типа в другой, и эти изменения доказывают, что частица обладает массой. «Открытие поменяло наше понимание устройства материи и может сыграть решающую роль в нашем представлении о Вселенной», — говорится в заявлении.

В начале нашего столетия Такааки Кадзита представил результаты своих исследований на детекторе Super-Kamiokande в Японии, показывающие, что нейтрино из атмосферы способны менять свой тип. И примерно в то же время исследовательская группа под руководством Артура МакДональда показала, что нейтрино, исходящие от Солнца, не исчезают на своем пути к Земле: ученые фиксировали их в разных состояниях, когда они попадали в их обсерваторию Sudbury Neutrino. Физики выделяют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тай-нейтрино Информация взята с портала «Научная Россия» 

[библиограф]

    Физики выделяют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тай-нейтрино   

Тай-нейтрино, , с японским акцентом
Недоумок с портала Научная Россия переводил машинкой, вот она и выдала тай- вместо тау- нейтрино.

[wandarer]

Эксперименты ученых продемонстрировали, что нейтрино может превращаться из одного типа в другой, и эти изменения доказывают, что частица обладает массой. «Открытие поменяло наше понимание устройства материи и может сыграть решающую роль в нашем представлении о Вселенной», — говорится в заявлении.

Почему-то считают, что невозможны безмассовые переходы между ароматами нейтрино. Взаимодействие нейтрино и виртуальных W, Z бозонов, вполне может порождать переходы между ароматами нейтрино, так как эти виртуальные бозоны могут порождать около себя три типа векторных мезонов: ро, омега, фи, не говоря уже о К⁰ мезонах, которые не сохраняют CP, что при восстановлении реального состояния одного нейтрино может изменять его лептонный вкус.  Векторные мезоны  в свою очередь имеют в модах своих распадов пи-мезон, который имеет моды распада с наличием  различных ароматов нейтрино. Ну а дефицит нейтрино в эксперименте может свидетельствовать о наличии частицы, которая и нарушает CP.